Зона сейсмического риска

Почему землетрясения внезапны и происходят ли они все чаще

Землетрясение в Турции унесло больше 41 тысячи жизней ― и это не окончательное число жертв. Афтершоки не прекратились до сих пор, их число уже достигло нескольких тысяч. Что спровоцировало все эти толчки? Можно ли было их предвидеть? Как скоро будет другое мощное землетрясение в этом районе — и можно ли вообще говорить о глобальном росте сейсмической активности?

Если коротко, то ничего утешительного сказать на это сейсмология и геофизика не могут. Давайте разберемся, почему.

Удар снизу

Первый толчок с магнитудой 7,8 произошел 6 февраля в 04:17 по местному времени. Его эпицентр находился в 33 километрах от города Газиантеп и в 26 километрах от города Нурдаги. Гипоцентр, по оценке Геологической службы США (USGS), был на глубине 17,9 ± 3,7 километра. Через 11 минут последовал первый афтершок магнитудой 6,7.

Через девять часов в 95 километрах к северу произошел третий мощный толчок ― рядом с городом Экинёзю. Очаг был ближе к поверхности, на глубине 10 ± 1,8 километра, а магнитуда толчка достигла 7,5.

К концу дня сейсмологи зарегистрировали уже 183 афтершока; из них более 30 ― магнитудой 4,5 и выше.

Поскольку гипоцентры обоих сейсмических событий располагались неглубоко, интенсивность землетрясений оказалась очень велика и достигла 9 баллов по 12-балльной шкале Меркалли.

Магнитуда по Рихтеру, интенсивность по Меркалли

Очаг землетрясения в самом обобщенном виде описывается таким параметром, как магнитуда (в переводе с латыни «величина»). Волна от очага распространяется во все стороны, вызывая сотрясения на поверхности Земли. Их интенсивность оценивается по 12-балльной шкале: американские сейсмологи используют шкалу Меркалли, российские — шкалу MSK-64, которую в Европе не так давно сменили на EMS-98. Все они, в принципе, близки.

Магнитуда (а именно эту шкалу придумал Чарльз Рихтер) применяется для оценки силы землетрясения в очаге ― по выделившейся в виде сейсмических волн энергии. Это безразмерная величина (поэтому говорить «баллы по шкале Рихтера» неверно) и вычисляется как логарифм от количественных показателей землетрясения.

При описании крупных землетрясений применяют моментную магнитуду. Она основана на сейсмическом моменте, который характеризует вызванные землетрясением деформации в зоне тектонического разрыва. Такая магнитуда тоже рассчитывается в логарифмической шкале. Приведенные для землетрясений в юго-восточной части Турции величины ― это именно моментные магнитуды.

По данным на 15 февраля, которые приводятся в официальных турецких источниках, подземные толчки и вызванные ими афтершоки унесли жизни свыше 35 тысяч человек, ранено более 105 тысяч. Стихийное бедствие ударило и по северо-западным районам Сирии, где число погибших уже превысило 5,8 тысячи человек. Особенно сильно пострадал Алеппо, расположенный в 200 километрах от эпицентра первого землетрясения.

Когда плитам тесно

Турция ― сейсмически активная область. Риск землетрясений здесь есть всегда. Но нынешняя катастрофа неординарна для этого региона, считает сейсмолог Рубен Татевосян, заместитель директора Института физики Земли имени Шмидта. 

«Магнитуда 7,8 очень велика для зоны, где взаимодействуют между собой континентальные плиты, ― говорит ученый в беседе с N + 1. ― Сейсмические события в Тихоокеанском огненном кольце могут быть еще сильнее, значения их магнитуд могут превышать 8,0 и даже 9,0. Но там совершенно другие тектонические условия ― они связаны с процессом субдукции, то есть подползания океанической литосферной плиты под континентальную. А среди внутриконтинентальных землетрясений — нынешнее Газиантепское близко к максимально сильным из достоверно установленных сейсмических событий».

В этом регионе сходятся и взаимодействуют сразу три литосферные плиты: Анатолийская, Аравийская и Африканская. 

Землетрясение в Турции было сдвиговым: земля смещалась в основном по горизонтали, вдоль границ литосферных плит. «Но это ни в коем случае не означает, что сдвинулась вся плита целиком. Она остается зацепленной, смещение происходит только на ограниченном участке», ― добавляет ученый.

Анатолийская плита движется на юго-запад со скоростью 21 миллиметр в год, поворачиваясь против часовой стрелки относительно Евразии. В то же время ее соседи, Аравийская и Африканская плиты, ползут на север-северо-запад со скоростями 15 и 5 миллиметров в год соответственно. Но, как поясняет еще один собеседник N + 1 Владимир Саньков, заместитель директора Института земной коры СО РАН, эти цифры показывают, как меняется положение плиты в масштабах миллионов лет. Средняя скорость плит более или менее равномерна, и ее колебания на больших промежутках времени ничего не говорят о механике землетрясений.

Между тем движение плиты ― это сложный процесс, разбитый на локальные события. Плита деформируется неоднородно: где-то участок плиты чуть ползет, в другом месте застревает, накапливая механическое напряжение. А где-то это напряжение превосходит предел прочности и участок проскальзывает — происходит разрыв и смещение. И в этот момент скорость участка плиты изменяется очень заметно. Такие события характерны для разломов, зон контакта между плитами. Они как раз и являются зонами высокой сейсмичности.

Ученые полагают, что толчок магнитудой 7,8 стал следствием сдвигового разрыва на одном из участков Восточно-Анатолийского разлома.

Восточно-Анатолийский разлом идет с юго-запада на северо-восток по границе Анатолийской и Аравийской плит, лишь на западе касаясь стыка Анатолийской с Африканской. В целом его можно характеризовать как трансформный: континентальные блоки смещаются относительно друг друга преимущественно горизонтально либо испытывают косое сжатие. Соответственно, среди сейсмических явлений здесь большую роль играют сдвиговые процессы.

Впрочем, сейсмологи пока не уверены в том, каким именно был механизм Газиантепского землетрясения ― из-за сложного строения разломной зоны.

Возможно, землетрясение вызвал правосторонний разрыв участка Анатолийской плиты по направлению с юго-востока на северо-запад в пределах разлома, тянущегося от Мертвого моря. Так ли это, покажут будущие исследования. По горячим следам сейсмологи оценили размеры области, затронутой сдвигом при толчке под Газиантепом, в 100 × 70 километров, определили величину сдвига ― около . А 10 февраля британский Центр наблюдения и моделирования землетрясений, вулканов и тектоники (COMET) сообщил, что зоны разрывов, по данным спутника Sentinel-1, достигают длины 300 и 125 километров. Первый разрыв образовался после землетрясения магнитудой 7,8, второй ― после толчка магнитудой 7,5.

Разрядка напряжения в сейсмическом очаге не проходит бесследно. Напряжения перераспределяются в толще пород земной коры и нередко возникают на значительном удалении, становясь источником многочисленных афтершоков.

Они очень опасны во время спасательных работ после главного землетрясения, нередко приводят к обрушению уцелевших построек и могут угрожать жителям районов, не затронутых во время первого толчка. Газиантепское землетрясение наглядно продемонстрировало всю опасность афтершоков.

Так уже было

Подобной катастрофы в Турции не случалось с 27 декабря 1939 года, когда на северо-востоке страны, вблизи города Эрзинджан, произошло сейсмическое событие магнитудой 7,8 и максимальной интенсивности — 12 баллов по шкале Меркалли. Землетрясение тогда убило почти 33 тысячи человек, а 100 тысяч было ранено. Такое число жертв было вызвано, в частности, тем, что землетрясение, как и нынешнее, случилось зимой: многие люди просто замерзли в 30-градусные морозы. Это землетрясение, впрочем, не было связано с геологической структурой, в которой произошло нынешнее, хотя Северо-Анатолийский (землетрясение 1939-го) и Восточно-Анатолийский разломы (землетрясение 2023-го) часто рассматриваются, как сопряженные системы. 

Последнее крупное землетрясение в области, за сейсмичность которой отвечает Восточно-Анатолийский разлом, произошло 3 апреля 1872 года на территории вокруг города Антакья. Его магнитуда составила 7,2, пострадало несколько городов, 38 деревень были уничтожены.

Последний раз землетрясение в непосредственной близости от Газиантепа было больше 200 лет назад, всего в 50 километрах от города. Магнитуда этого события оценивается в 7,0.

Почему опять внезапно

Мы знаем, какие тектонические процессы приводят к землетрясениям, знаем, как часто они происходили в прошлом, — значит, можем предсказывать будущее?

И да, и нет. Долгосрочные прогнозы, которые оперируют промежутками в десятки и сотни лет, ученые делать умеют. Это, в принципе, может сделать кто угодно, исходя просто из сейсмической истории местности, ― если где-то однажды было землетрясение большой силы, логично предположить, что оно может случиться вновь.

Физическое выражение такого прогноза ― карты сейсмического районирования, которые указывают, как часто здесь бывают землетрясения и какой они достигают интенсивности. Они регулярно корректируются в соответствии со свежими данными сейсмического мониторинга. Например, согласно такой карте, на территории Москвы землетрясение интенсивности более 4 баллов происходит раз в пять тысяч лет, а интенсивности в 3 балла — не больше одного за 100 лет. Все они — сейсмическое эхо землетрясений на Карпатах или в других регионах. 

На основании этих карт разрабатываются нормы сейсмической устойчивости для зданий и сооружений.

По словам Татевосяна, еще один смежный метод ― процедура оценки сейсмической опасности для конкретного объекта. Например, перед строительством АЭС проводят геологические и сейсмотектонические исследования, проверяют реакцию грунта на нагрузку. В результате получают оценку того, какие сейсмические движения можно ожидать на площадке.

Есть и среднесрочные прогнозы ― они предсказывают, какие землетрясения могут произойти в интервале от года до десятилетия. Но их точность уже не слишком велика.

Например, директор Института теории прогноза землетрясений и математической геофизики (ИТПЗ РАН) Петр Шебалин заявил на пресс-конференции 7 февраля, что один из прогнозов института допускал катастрофическое землетрясение в Турции.

По его словам, для этого прогноза использовался алгоритм М8.0, который должен предсказывать землетрясения магнитудой 8 и выше. Этот метод разрабатывается с 1990-х годов, в качестве входных данных используется информация о более слабых землетрясениях ― их магнитуде, частоте, повторяемости,  группируемости по времени и другие характеристики ― в зоне диаметром примерно 800 километров.

Шебалин сообщил, что два года назад в прогнозе, полученном алгоритмом на пять лет вперед, был риск землетрясения магнитудой 8,0 в одной из 800-километровых зон на территории Турции. Прогнозы алгоритма институт публикует — но в ограниченном доступе, мотивируя это тем, что его результаты остаются предметом научного анализа, а алгоритм не следует считать реальным инструментом предупреждения землетрясений.

Практическую ценность мог бы иметь краткосрочный прогноз — на период от месяца до года, — но надежной методики для него пока не существует. 

Ученые еще слишком мало знают о том, что происходит внутри массива напряженных пород в малых масштабах времени. Поэтому они привлекают дополнительные геофизические данные, которые могли бы служить индикаторами приближающегося события, — например, аномальные возмущения в атмосфере и ионосфере. Таким образом исследователи пытаются повысить точность среднесрочных прогнозов, основанных на теории , и приблизить их во временном масштабе к краткосрочным.

Однако надежного метода краткосрочного и оперативного прогнозирования нет. Чтобы принести реальную пользу, прогноз должен быть на 100 процентов верифицированным, объясняет N + 1 сейсмолог Анна Добрынина, ученый секретарь Института земной коры СО РАН. Не должны вызывать сомнений ни место, ни время, ни магнитуда прогнозируемого события ― потому что, в отличие от прогноза погоды, прогноз сильного землетрясения подразумевает необходимость эвакуации населения и остановку производств, а это влечет за собой экономический ущерб и оказывает серьезное психологическое воздействие на людей. Это слишком большая ответственность. 

Единственная успешная попытка такого рода ― прогноз землетрясения магнитудой 7,3 в Хайчэне (Китай) в 1975 году, когда своевременная эвакуация предотвратила гибель нескольких сотен тысяч человек, рассказывает Добрынина. Хайчэнское землетрясение удалось спрогнозировать по предвестникам, в частности, по сильному толчку, который был правильно квалифицирован как форшок (foreshock) ― событие, предваряющее основной сейсмический удар (как правило, их находят ретроспективно, после того, как основное землетрясение уже случилось). Но уже в следующем году Таншаньское землетрясение, тоже в Китае, спрогнозировать не удалось, и оно погубило более 242 тысяч человек. Каждое землетрясение уникально, даже те, которые происходят в одном и том же месте в разные годы, потому что геологическая среда в сейсмоактивной зоне после любого толчка перестраивается, а как именно ― ученые определить пока не могут.

Привлечение таких показателей, как колебания концентрации радона или изменение уровня грунтовых вод, их химизма и изотопного состава, электромагнитных явлений, поведения животных, может сработать — но в той же мере может и обмануть прогнозистов. Ни один из них не может интерпретироваться как универсальный предвестник. В качестве примера Добрынина приводит радон, который выделяется из разломов в земной коре: «Его выход уменьшается при сжатии среды и возрастает при растрескивании, появлении новых разломов. То есть предвестниками могут быть как отрицательные, так и положительные аномалии концентрации. Кроме того, на радоновый сигнал накладывают шум внешние факторы. Например, высокое атмосферное давление понижает выход радона, а низкое ― повышает. И среди множества показателей нет такого, который можно было бы считать более надежным, чем другие».

Владимир Саньков указывает, что вклад в сейсмичность могут оказывать даже такие глобальные явления, как приливное воздействие Луны. Это вклад очень слабый, но нельзя полностью исключать того, что в сцеплении с более мощными факторами он может послужить триггером землетрясения.

В Италии не так давно судили шестерых сейсмологов и одного чиновника, которых обвинили в непредумышленном убийстве 29 человек. 6 апреля 2009 года в городе Аквила произошло землетрясение магнитудой 6,3. Обвиняемые сочли не заслуживающим доверия прогноз сейсмолога-любителя Джампаоло Джулиани, который на аппаратуре собственного изготовления зарегистрировал рост концентрации радона в атмосфере.

Неясно, насколько конкретны были предсказания Джулиани, так как сообщения о них появились в СМИ уже после землетрясения. Обвиняемые же накануне бедствия заявляли, что риск подземного толчка высок, но точного прогноза дать нельзя. Это успокоило некоторых жителей Аквилы, они решили не эвакуироваться и погибли при обрушении домов. Обвиняемых приговорили к шести годам тюремного заключения. Правда, затем апелляционный суд признал сейсмологов невиновными, а чиновнику срок заключения сократил до двух лет.

Будет еще, но это неточно

Для точных прогнозов нужны модели земных недр с высоким пространственно-временным разрешением. Но при их построении геофизикам приходится решать обратную задачу.

В прямой задаче есть начальные условия (входной сигнал), есть законы природы, выраженные в формулах (по которым сигнал преобразуется), требуется рассчитать результат (выходной сигнал). А в обратной задаче неизвестны ни законы — это черный ящик, — ни начальные условия. Есть только результат в виде, например, записи сейсмографа. Но для того чтобы спрогнозировать будущие выходные сигналы, устройство черного ящика нужно знать максимально подробно.

Решение у обратной задачи всегда не одно, в общем случае их вообще бесконечно много. Кроме того, абсолютной точности эта модель не добьется никогда. Все модели строятся по усредненным величинам, и потому в ней всегда есть область неопределенности. Ее можно только сужать: увеличивать количество наблюдений и их качество с помощью все более продвинутых технологий, таких как вейвлет-преобразование и инверсия сейсмического сигнала (о том, что такое вейвлеты и как с ними работают, можно почитать в нашем материале «Всплеск, который быстро затухает»). А для введения ограничений ученые привлекают дополнительные данные из смежных областей.

Примером построения сейсмотектонических моделей может служить работа турецких исследователей, посвященная моделированию сейсмоопасных зон Восточно-Анатолийского разлома. Отчет о ней был опубликован летом 2022 года. Ученые использовали каталог из 26 тысяч землетрясений за период с 2007 по 2019 год, статистику исторических землетрясений и данные о тектоническом строении и динамике на разных сегментах разлома. На этой основе они построили глубинный разрез сейсмичности и модель распределения напряжений внутри разлома.

Итогом исследования стало выделение пяти зон повышенной сейсмичности на разных сегментах разлома. Примечательно, что в их число вошла близкая к эпицентру Газиантепского землетрясения область Пазарджика, последнее крупное событие в которой случилось 228 лет назад, в 1795 году. Сейсмическое поведение каждого из этих районов неодинаково, и для них были вычислены приблизительные периоды повторяемости.

Для Пазарджика такой временной интервал оказался определен очень расплывчато: подземные толчки магнитудой выше 7,0 должны повторяться здесь с периодом от 237 до 772 лет. И, хотя нижняя временная граница довольно близка к реальному 228-летнему интервалу между 1795 и 2023, ясно, что модель, которая делает прогноз с разбросом в полтысячелетия, нуждается в серьезной доработке.

И еще одна причина, которая мешает ученым строить адекватные модели, ― сложная, не до конца понятная физика процесса подготовки землетрясения. Исследователи имеют дело с околокритическими состояниями среды, когда небольшие изменения внешних условий могут привести к внезапной подвижке по разлому.

Широко распространено утверждение, что наука больше знает о процессах внутри Солнца, чем о том, что происходит в недрах нашей планеты. И это действительно так, потому что, в отличие от твердой Земли, Солнце описывается законами гидродинамики. И земную атмосферу мы знаем гораздо лучше, чем литосферу, ― ведь она прозрачна и во всем диапазоне доступна для прямых наблюдений и измерений. А вся информация о литосфере поступает к ученым только из косвенных измерений: нельзя засунуть глубоко в земные недра градусник, а если в редких случаях это и получается, нет возможности откалибровать данные, чтобы потом получать информацию дистанционно.

Геофизики не могут прямо наблюдать внутренние движения в земной коре, измерить скорости и давления. Причем трудности есть и при прогнозе таких атмосферных явлений, как торнадо. Легко представить себе, насколько они были бы больше, если бы ученым пришлось на основе косвенных данных, не зная в точности состава атмосферы, предсказывать зарождение и поведение торнадо.

Косвенные данные, которые могли бы помочь ответить, будет землетрясение или нет, ученые вытаскивают из разных источников: анализ фоновой сейсмичности (для него нужна плотная сеть станций), смещения поверхности земли (для этого требуются GPS и сеть деформометров), эманация газов, например, радона (нужна сеть датчиков), магнитные измерения, поведение грунтовых вод. На основе этих наборов данных получаются временные ряды, и любой из них может содержать сигнал о предстоящем событии ― а может и не содержать. Он спрятан в шумах, а его нужно выделить из фона, не зная в точности, как готовится землетрясение.

Алексей Иванов, заместитель директора Института земной коры СО РАН

Модели, разумеется, строят и по только что случившимся событиям: они необходимы для лучшего понимания структуры и поведения сейсмоопасных зон.

Лучше, чем прогноз

Сейчас, рассказывает Анна Добрынина, основное направление в области прогноза землетрясений ― это накопление статистики. Нужны длинные ряды геофизических данных из регионов с разными геодинамическими условиями.

«Минимальное статистически достоверное количество измерений ― 100. То есть нам необходим интервал, в течение которого произошло 100 сильных, с магнитудой выше 5,0, землетрясений, ― объясняет ученая. ― Более слабые события просто не проявятся в рядах наблюдений. Современное оборудование, например широкополосные сейсмические станции с цифровой регистрацией сигнала, позволяют вести полноценный сбор данных в полном диапазоне частот, анализировать шумы. Но такие технологии начали внедряться 40–30 лет назад. Поэтому нигде, даже в Японии, которая вся покрыта густой сетью сейсмостанций, нет достаточного объема данных».

При этом расширение научного инструментария сейсмологов уже повлияло на глобальный уровень сейсмичности, отмечает Владимир Саньков. В последние десятилетия выросло количество регистрируемых землетрясений ― но не оттого, что трясти стало по-настоящему чаще, а просто за счет расширения сети станций и усовершенствования оборудования.

Рубен Татевосян убежден, что на текущем этапе приоритет должен принадлежать не столько прогнозу событий, сколько прогнозу рисков. Их уже можно рассчитать достаточно надежно на основе оценок сейсмической опасности, и в этом прочной опорой служит подробное сейсмическое районирование.

Землетрясение, даже очень сильное, само по себе никого не губит, подчеркивает Татевосян. Люди страдают и гибнут оттого, что из-за толчков рушатся постройки. А проектирование сейсмоустойчивых сооружений не требует привязки к конкретному времени: для него необходимо знать масштабы урона, грозящего той или иной местности в случае стихийного бедствия.

В этой связи запоздалым предостережением выглядит исследование уязвимости построек города Газиантеп, опубликованное турецкими специалистами по гражданскому строительству в марте 2022 года. Они рассчитали коэффициенты ущерба для различных участков в центральной части города, где сосредоточены наиболее старые кирпичные дома, и установили, что эти сооружения рискуют обвалиться при землетрясениях магнитудой 6,5 или 6,6 на близлежащих активных разломах.

Не менее уязвимы оказались здания в некоторых других районах Газиантепа. Между тем реальное землетрясение 6 февраля 2023 года было гораздо сильнее расчетного, и в Газиантепе рухнули сотни домов, не считая древней крепости и исторической мечети.

Но завтрашняя беда всегда кажется нам далекой. Да и сейсмостойкое строительство очень дорого. И оно, увы, не всегда по-настоящему сейсмостойкое: например, после Измитского землетрясения 1999 года на северо-западе Турции были обнаружены серьезные нарушения в технологии возведения некоторых зданий.

Будущее покажет, повлияет ли трагедия в Турции и Сирии на решение проблемы сейсмостойкого строительства. А пока в пострадавших от стихии районах продолжаются афтершоки, которые мешают спасателям разбирать завалы и искать пострадавших.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Изотопный сдвиг титана указал на позднее включение нижней мантии в глобальную геодинамику

По мнению геохимиков, это произошло около 2,7 миллиарда лет назад